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1、机器人手爪的功能分析与设计研究 摘 要：本文对机器人手爪的抓取运动范围、工件的定位要求、夹紧力的计算方法、工件的检测、清洁和平安等相关功能要求进行了系统的介绍，对设计手爪时工件结构形式的分析、工件定位点及夹紧方式的确定、工件检测传感器位置及数量的确定、工件表面的清洁、手爪的平安性等相关设计事项进行了探讨，在分析了机器人手爪的有关设计要素后，提出了机器人手爪的设计的步骤和设计思路，为机器人手爪在现代工业制造领域的推广和应用供应技术支持。 关键词：机器人；手爪；功能要求；结构设计；夹紧力；夹紧扭矩 中图分类号：TP241 文献标识码： A 1概述 在现代工业领域中，机器人越来越多的被运用于各行各业
2、。作为机器人的执行机构，机械人手爪自然在各行各业中不行缺少、大显身手。机器人手爪的功能是否完善、性能是否牢靠、工作是否平安将干脆影响机器人机械性能的好坏和工作效率的凹凸，探讨机器人手爪的功能要求和设计要点，对推广工业机器人的运用，提高工业机器人的性能，最大限度发挥机器人的效率，具有重要的指导意义。 2功能要求 机器人手爪功能是机器人在接收到抓取工件信号后，按指定的路径和抓取方式，在规定的时间内完成工件取放动作的功能性参数。机器人在抓取工件的过程中，为保证抓取工件的牢靠性，机器人手爪应具备肯定的抓取运动范围、工件在手爪中牢靠定位、适当的夹紧力、工件抓取后的检测报警、工件清洁所需的气管、机器人手爪
3、断电爱护等相关功能。 2.1抓取运动范围要求 抓取运动范围是手爪抓取工件时手指张开的最大值与收缩的最小值之间的差值。由于工件的大小、形态、抓取位置的不同，为使手爪适合抓取不同规格的工件，手爪的运动范围应有所不同。工作时工件夹紧位置应处于最大值与最小值之间，在工件夹紧后，手指的实际夹紧位置应大于手指收缩后的最小位置，使工件夹紧后夹紧气缸能有肯定的预留夹紧行程，保证工件牢靠夹紧。 2.2工件在手爪中的定位要求 为使手爪能正确抓取工件，保证工件在机器人运行过程中与手爪能牢靠的接触，工件在手爪中必需有正确、牢靠的定位要求。需分析零件的详细结构，确定零件的定位位置及定位方式。工件的定位方式有如下几种：
4、工件以平面定位：工件在手爪中以外形或某个已加工面作为定位平面，定位后工件在手爪中具有确定的位置，为保证工件牢靠定位，需限制工件的6个自由度。一般大平面限制3个自由度，侧面限制2个自由度，另一侧面限制1个自由度。定位元件一般采纳支承钉或支承板，并在手爪中以较大距离布置，以削减定位误差，提高定位精度和牢靠性。支承钉或支承板与手爪本体的联接多采纳销孔H7/n6或H7/r6过盈协作联接或螺钉固定联接。 工件以孔定位：工件在手爪中以某孔轴心线作为定位基准，定位元件一般采纳芯轴或定位销。 芯轴定位限制4个自由度，依据不同要求，芯轴可用间隙协作芯轴、锥度芯轴、弹性芯轴、液塑芯轴、自定心芯轴等。 定位销分短圆
5、柱定位销、菱形销、圆锥销、长圆柱定位销，分别限制2个自由度、1个自由度、3个自由度和4个自由度。定位销与手爪本体的联接多采纳销孔H7/n6或H7/r6过盈协作联接。 工件以外圆表面定位：工件在手爪中以某外圆表面作为定位面，与安装于手爪本体上的套筒、卡盘或V形块定位。采纳V形块定位，对中性好，可用于非完整外圆的表面定位。长V形块限制4个自由度，短V形块限制2个自由度。套筒、卡盘分别限制2个自由度。 2.3夹爪夹紧力及扭矩要求 2.3.1手爪夹紧力及扭矩的计算 初始条件 手爪抓取的工件质量m ；如：20 从手抓上顶边到工件几何中心的距离L；如L=200 mm 重力加速度g； ； 机器人手爪运动時的
6、加速度a； 如：a=5 m/s2 机器人手爪夹持面与工件之间的摩擦系数； 夹持工件时的平安系数S： 机器人手爪夹持工件时所需的夹紧力：F 几种夹持形式，机器人手爪所需夹紧力或夹紧扭矩的计算 机器人手爪“只考虑摩擦系数作用下”的计算示意图如图1所示。 计算公式： 夹紧力： 扭矩： M=FL=59240.2=1184.8 机器人手爪“运用对应抓取物品形态的夹爪”时的计算示意图如图2所示。 计算公式： 夹紧力： F=mS=202=592.4 扭矩： M= FL=592.40.2=118.48 机器人手爪“运用菱形夹爪抓取物品”时的计算示意图如图3所示。 计算公式： 夹紧力： FZ=m S=202=5
7、92.4 扭矩：MZ=FZL=592.40.2=118.48 扭矩： MY=FYL=8660.2=173.2 上式中， FZ是夹爪手指沿图3中Z向所需的夹紧力； FY是夹爪手指沿图3中Y向所需的夹紧力； MZ是夹爪手指沿图3中Z向所需的夹紧扭矩； MY是夹爪手指沿图3中Y向所需的夹紧扭矩； 是菱形夹爪手指的V型槽角度；如=120。 值得留意的是：机器人的运动方式和抓取角度可能会产生改变。机器人水平翻转或沿抓取物品的轴向运动时。抓取方式将由菱状抓取变为仅靠摩擦力抓取。因此，在计算手爪所需夹紧力或夹紧扭矩时应分别计算手爪Y向和Z向的夹紧力或夹紧扭矩的大小，取两者中较大者作为手爪所需的夹紧力或夹紧扭
8、矩，以满意手爪随机器人抓取工件时在空中翻转和变换姿态时的须要，保证爪手抓取工件时能供应足够的夹紧力或夹紧扭矩，并牢靠夹紧工件。 2.3.2物理量单位说明 重力加速度：g 质量：kg； 扭矩 ： Nm 长度：m； 夹紧力：N 加速度： m/s2 2.4工件位置检测要求 机器人手爪抓取工件后根据工艺流程和PLC程序将执行下一步动作，在执行此动作前，需告知工件在手爪中的位置是否正确，并将该结果以电信号的形式发送给机床和相关专用设备，以使机床和相关专用设备能提前做好接收工件的打算工作，如：松开夹头、清洁定位面等。工件在手爪中的位置检测一般通过位置传感器确定，传感器可采纳接近开关、光电开关等与PLC联接
9、，通过PLC的限制确定工件的位置。如工件位置不符合要求，PLC将不执行下一步工作，以保证手爪和机床等工作设备的平安性和牢靠性。 2.5工件清洁要求 工件在手爪中定位时，为保证工件位置的正确和定位夹紧的牢靠，手爪中工件的定位面、夹爪的夹紧面、插销的定位孔、工件的外表面等必需予以清洁处理，去除定位面、夹紧面、定位孔、外表面的灰尘或垃圾，从而使工件在手爪中定位正确、夹紧牢靠。 2.6平安要求 手爪在抓取工件后，通过手爪手指的夹紧力将工件与手爪牢靠的联接在一起，为保证工件与手爪在机器人运行过程中平安牢靠，要求机器人手爪运行过程中如夹钳体突然断气或断电后，手爪手指仍能牢靠的夹紧工件，保证工件抓取后运行的
10、牢靠性、平安性。这是手爪必需具备的平安功能，是机器人手爪的重要性能和参数。 3结构设计 机器人手爪结构是机器人手爪设计的重要环节，机器人手爪结构设计是否合理、定位是否满意要求、夹紧是否平安牢靠、检测传感器是否安装、清洁装置有无考虑、平安要求是否具备等，都是结构设计时必需考虑的问题。 3.1工件结构形式分析 结构形式分析是机器人手爪设计的重要步骤，有效分析工件的结构形式，充分利用工件自身的结构特点，综合考虑工件的定位形式、夹紧机构，设计出满意上述功能要求的体积小、质量轻、效率高的机器人手爪。设计时应考虑以下几点： 考虑机器人手爪与机器人第六轴的联接方式。依据机器人第六轴安装板的结构特点，设计出符
11、合安装要求的机器人手爪安装联接板，它是机器人手爪的承载本体，是整个机器人手爪的受力基础，设计时应充分考虑安装板的强度、结构和固定方式等。 考虑机器人手爪与机器人第六轴的联接时的定位要求。由于机器人在抓取工件时具有很高的重复定位精度，机器人手爪与机器人第六轴的联接应具有牢靠的定位结构，以保证两者之间的联接不会影响机器人本身的精度。定位结构通常有：孔轴台阶定位、定位销孔定位、键槽定位、定位轴套定位等。 机器人实际工作中，机器人手爪随机器人第六轴一起运行，为削减机器人的负载，提高机器人的性能，最大限度发挥机器人的优势。在设计机器人手爪结构时应尽量削减机器人手爪的体积，减轻机器人手爪的自身重量。在结构
12、上可以采纳挖空减重、分体焊接等形式，材料上可以采纳精密压铸的铸铝件等强度高、重量轻的结构。 由于机器人手爪上有驱动手爪松开夹紧的气缸或电机，有用于检测工件位置的传感器，有用于清洁的吹气气路等，这些元件的联接电缆和管路都必需通过机器人手爪与限制元件或中间接线盒相联接，为使这些线路联接美观，设计时应考虑这些线路的走向和固定位置，并考虑机器人手爪在空中翻转和变换姿态时削减线路缠绕和与工件摩擦。既可自行设计线路走向及固定方式也可采纳国际品牌“易格斯”专业拖链固定线路，既美观便利又能降低运行噪音。 3.2确定工件的定位点及夹紧方式 确定工件在机器人手爪爪中的定位点及夹紧方式是机器人手爪设计的关键。依据上
13、述“工件结构形式”的分析，结合工件自身的结构特点，寻求符合工件要求的定位点及夹紧方式。设计时除满意上述定位要求外，需考虑以下几点： 定位元件表面应淬火处理，满意定位元件的耐磨性要求。 定位平面的全部定位元件应等高，可采纳安装后一次磨平的方法来保证。 对与工件定位表面不规整和尺寸改变较大的场合，可采纳“可调支承定位”。 对与工件毛坯表面、断续表面、阶梯表面的定位，可采纳“自位支承定位”，一般采纳球形布置与工件三点接触或杠杆式结构，与工件两点接触。 工件的夹紧点与定位支承点应在同一作用线上，避开因工件虚压而引起局部变形。 工件夹紧过程中不能变更工件定位后的正确位置，夹紧力大小应牢靠、适当。 夹紧力
14、方向应有利于定位工件稳定，且主夹紧力方向指向定位基准面。 夹紧力方向应有利于削减夹紧力，尽量和重力方向一样，以利于有效简化夹紧机构。 夹紧力方向应是工件刚度较高的方向。 夹紧力的作用点应落在定位元件的支承范围内。 3.3確定工件检测传感器的位置及数量 机器人手爪中是否有工件，工件在手爪中是否具有正确的位置，可以通过机器人手爪上的传感器进行检测，并将检测结果告知机床或其他专用设备。传感器的安装位置应避开与工件装夹时碰撞，以免避开损坏传感器，应设计时考虑必要的传感器爱护装置。应充分了解传感器的技术特性，选择与工件材质、颜色、检测距离相匹配的传感器，保证工件检测的正确性与牢靠性。传感器的布置应具有防
15、呆纠错功能，能有效防止工件反装或错装。传感器的数量以满意检测要求为准，可依据设计须要详细确定。 3.4工件表面的清洁 工件定位面的灰尘、定位元件支承面的垃圾、工件表面的切削液等，在工件装夹前均须要清洁处理，这是保证工件正确装夹的前提。为能有效清洁这些表面，通常在工件定位元件的支承面、定位插销的端面、工件表面旁边设置特地用于清洁用的气道口，这些气道口通常直径23mm，与限制气路上用于“通”“止”的气动电磁阀相联接，通过电磁阀阀芯位置的切换，有效限制气路的“接通”与“停止”从而实现工件表面和定位面的有效清洁。 3.5手爪的平安性 机器人手爪是自动化生产线中运动部件，在夹持工件运动的过程中，必需保证
16、手爪能牢靠夹持工件，保证工件在传输过程中万无一失。为确保机器人手爪的平安性，设计时应考虑以下几点： 采纳自行设计的夹紧机构时，夹紧机构夹紧工件后应具有机械自锁功能，避开机器人运动过程中，机器人手爪松开而导致平安事故。 采纳夹紧气缸夹紧工件时，为能有效夹紧工件，夹紧气缸在工件夹紧后应预留35mm的夹紧行程。因此，在选擇气缸行程时除使气缸行程满意夹紧范围要求外，还需考虑增加气缸夹紧工件时的预留行程。 为保证夹紧工件的牢靠性，设计时可考虑采纳国外先进夹紧气爪，这些气爪在突然断气时都具有夹紧爱护功能，这是国外成熟技术，可以取其优点，为我所用。如德国的“SOMMER”、“雄克”等品牌。 采纳夹紧力方向与
17、工件重力方向一样，用工件重力或重力的分力防止工件夹紧后松开。 在机器人手爪上增设平安插销机构，当工件夹紧后，平安插销将夹紧位置“牢牢锁住”，从而起到平安爱护作用。 3.6机器人手爪设计的步骤和思路 通过分析工件的结构形式、机器人手爪的基本功能和机器人手爪设计时的相关技术要点，对机器人手爪设计的步骤和思路提出以下几点要求： 充分分析工件的结构特性，明确工件定位所需的位置、夹紧力或夹紧扭矩所需的大小和方向。 依据工件的结构特点和空间大小，选取适合的定位元件和定位方式。 依据工件的结构和定位方式选择合适的夹紧点和夹紧机构。使定位点和夹紧点能有效削减工件的夹紧变形并保证工件夹紧牢靠。 合理布置清洁气路
18、和检测元件的线路走向，使线缆布置更美观合理。 依据机器人手爪的结构和工件的位置，确定传感器的位置和数量。 依据上述思路，绘制具体的机器人手爪装配总体布置图，并确定手爪松开、夹紧时的最大、最小运动范围。 对可能出现的几种总体布置方案进行工艺性和经济性分析，选择结构布置最优、工艺性能最好、制造成本最低的总体布置方案。 对方案图做进一步细化和完善，使设计文件符合工厂实际生产的要求。 结语 机器人手爪是自动化线中重要的组成部件，是自动化生产线的执行机构，机器人手爪性能的优劣干脆确定机器人工作效率的凹凸。探讨机器人手爪的相关功能和设计要点，理清机器人手设计思路和留意事项，对完善机器人手爪的结构设计、优化机器人手爪的设计参数、提高机器人手爪的工作效率。具有现实的借鉴和参考价值，为机器人手爪在现代工业制造领域的推广和应用供应技术支持。 参考文献 1聂余满，许德章，王勇，等.一种欠驱动水下机器人手爪的作业实力探讨J.机器人，2022 . 2张二力.工业机器人机械手爪的设计改进J.机器人，11010. 第13页 共13页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页